基于受激布里渊散射的光纤环多参量检测方法研究

摘要

光纤传感技术经历了30年的高速发展，已经广泛应用于现代社会的各个领域，其中应用于惯性导航的光纤陀螺仪和水下声信号探测的光纤水听器是高性能光纤传感器的典型代表，这两种传感器的结构中光纤被绕制成环以增加探测灵敏度和减小体积。但是，受绕制工艺和材料等因素的限制，光纤环的应变、温度和双折射的不均匀分布会引入光学非互易性，最终限制了光纤环的工作性能。因此，研究不同工艺和材料光纤环的应变、温度和双折射等参量的分布特性，对于控制光纤环质量，提高光纤陀螺仪和光纤水听器的精度具有重要意义。然而，现有的光纤环参量检测技术只能实现间接、光纤长度较短的应变或双折射测量，无法实现应变、温度和双折射的多参量分布式测量。针对光纤环应变、温度和双折射的多参量测量需求，本文聚焦于基于光纤中受激布里渊散射（SBS）原理的光纤环的应变、温度和双折射的多参量分布式测量技术的实现。除此之外，本文还讨论了基于SBS的Michelson型水听器光纤环应变分布式测量技术，拓展了基于SBS的光纤环多参量检测技术的应用领域。本文的主要研究内容如下：　　（1）在基于SBS的光纤环应变、温度和双折射的多参量测量性能提升方面，提出以下两点改进方案：一是针对光纤环的应变测量精度受系统空间分辨率限制问题，从耦合波方程出发，建立了差分脉冲对布里渊光时域分析技术（DPP-BOTDA）的数学模型，并对不同直径光纤环的应变测量精度与应变测量空间分辨率之间的关系进行了分析。在实验中，针对直径大于7cm的光纤陀螺环，利用空间分辨率为5cm的DPP-BOTDA系统实现了应变测量精度为17με的应变分布式测量。二是针对基于时域布里渊动态光栅（BDG）的分布式双折射测量长度受限问题，建立了BDG的产生和读取过程的四波混频模型，分析了光功率和频率配置等因素对BDG强度分布的影响，并提出了增强型BDG模型。在实验中，利用上频移的连续光与脉冲光之间的SBS产生了强度沿光纤逐渐增强的BDG。最终，利用该方案实现了光纤长度为3030m的光纤陀螺环，空间分辨率为40cm的分布式双折射测量。　　（2）在基于SBS的光纤环多参量测量方面，提出了以下两点改进方案：一是针对DPP-BOTDA只能测量应变和温度，以及BDG只能用于双折射测量的问题，提出了一种融合DPP-BOTDA和BDG的光纤环应变、温度和双折射的多参量测量方案。通过在保偏光纤快轴中实现DPP-BOTDA和产生BDG，在保偏光纤慢轴中读取BDG，该系统实现了DPP-BOTDA技术和BDG技术的有机融合。最终，首次实现了长距离、高空间分辨率和高精度的光纤陀螺环应变、温度和双折射的多参量实时测量。二是针对光纤绕制成光纤环后横向应力和轴向应力引起的双折射无法区分问题，提出了利用应变与双折射的线性关系计算轴向应力引起的双折射，然后根据双折射总体变化量获得横向应力引起的双折射变化。实验中，首次实现了轴向应力和横向应力引起光纤陀螺环双折射变化的测量，测得双折射的轴向应变系数为0.85×10-8/με，横向应力引起双折射的变化为10-6量级。　　（3）为了满足Michelson型水听器光纤环应变在线测量，提出了一种脉冲型探测光DPP-BOTDA方案。利用外调制法将连续型探测光调制成脉冲型探测光，通过控制脉冲型探测光的脉冲宽度与Michelson型水听器传感臂与参考臂之间的臂长差一致，从而克服了传统BOTDA方案测量Michelson型水听器光纤环时两反射镜反射探测光产生的干扰。实验中，实现了两只臂长差分别为64.59和17.39m的Michelson型水听器光纤环在-40到80℃时的应变分布式测量，和臂长差为126.91m的Michelson型水听器光纤环在0.1到10MPa时的应变分布式测量。　　综上所述，本文旨在通过分析基于SBS的光纤环应变、温度和双折射的多参量检测和性能提升的限制因素，提出相应的解决方案。除此之外，还将光纤环多参量检测技术应用于Michelson型水听器光纤环应变检测中，进一步拓展了其应用领域。

目录